控制料位

控制料位（通用7篇）

控制料位 篇1

0 引言

在钢铁行业的烧结厂中, 混合料矿仓料位参数的准确控制是平衡和稳定烧结生产的重要内容。由于烧结厂混合料的混料、运输、加工等环节, 造成从圆盘到矿仓的时间延迟, 导致矿仓料位参数的过程控制存在着严重的滞后性。和静钢铁公司烧结厂混合料矿仓系统滞后时间长达9.7 min, 用传统的PID控制已经不能满足企业对控制系统品质的要求。烧结厂混合料矿仓新引进的过程控制系统采用Smith预估器纯滞后补偿控制, 在其混合料矿仓系统实际运行过程中, 由于Smith预估器对被控对象的稳定性要求较高, 当矿仓的混合料输出发生较大变化时, 被控对象参数发生变化, 使得矿仓反复出现满仓和空仓的震荡状态, 矿仓料位出现严重的过程控制不稳定, 经常导致系统停车, 严重影响了烧结厂的正常生产。因此, 对原Smith预估器纯滞后补偿控制系统进行分析和改造十分必要。笔者分析了混合矿仓过程控制滞后的原因, 采用反馈改进型Smith预估器纯滞后补偿新方法, 构建了纯滞后补偿控制系统, 有效地克服了纯滞后和外因扰动引起的料位波动问题。

1 冶金烧结配料系统

冶金烧结配料系统由配料仓、圆盘给矿机、配料胶带机、混合料仓等组成。用装载机将精矿粉、富矿粉、燃料、熔剂、返矿等物料装入配料室料仓内, 通过圆盘给矿机将以上物料按要求比例送到配料胶带机上, 由配料胶带机将物料运至圆筒混料机进行二次混匀混料, 将混合料制成3～8 mm小球形混合料 (占全部混合料的75%) , 再由配料胶带机送到混合料仓。如图1所示, 物料须经1、2、3条胶带和2个混合机才能到达矿仓, 滞后时间长达9.7 min。

在烧结生产中, 要求混合料矿仓料位必须控制在60%处, 允许波动范围为±10%。如果料位过高, 系统启动时很容易烧毁电动机;如果料位过低, 则容易造成烧结机断料, 点火器空烧, 毁坏烧结机。烧结厂混合料矿仓的容量仅为60 t, 胶带的上料量为500 t/h, 纯滞后时间达9.7 min, 矿仓料位控制很难保证, 给过程控制系统提出很高要求。烧结厂矿仓料位的Smith预估器纯滞后补偿过程控制系统不能满足稳定的生产要求。

2 不稳定性分析

原混合料仓的 Smith预估器纯滞后补偿系统方框图如图2所示。

Smith预估器纯滞后补偿系统的传递函数为

$\frac{Y(S)}{X(S)}=\frac{G{}_{\text{C}}(S)G{}_{\text{Ρ}}(S)}{1+G{}_{\text{C}}(S)G{}_{\text{Ρ}}(S)}\text{e}{}^{-tS}(1)$

式中:GP (S) 为原系统的被控对象无滞后传递函数;GC (S) 为控制器传递函数;X (S) 为系统给定信号;Y (S) 为系统输出信号;t为纯滞后时间。

从式 (1) 可以看出, 混合料仓的Smith预估器纯滞后补偿的传递函数特征方程中已没有时间滞后项, 但依然受到混合料矿仓对象GP (S) 的影响, 在系统实际运行过程中, 被控对象混合料矿仓的料位在发生大范围变化时, 引起GP (S) 比例系数比正常高出1.5～2.5倍, 控制系统受到很大影响。

在特殊情况下, 系统会出现1+GC (S) GP (S) →0, 系统发生严重的不稳定性, 导致矿仓控制系统震荡, 系统被迫停车。

3 反馈改进型Smith预估器纯滞后补偿系统分析

采用新的反馈改进型Smith预估器纯滞后补偿系统对原系统进行改造, 其结构如图3所示。

图3的闭环系统输出受到输入信号X (S) 和扰动信号F (S) 的共同作用, 可表示为

F (S) -扰动信号;GC1-主控制器传递函数, $G{}_{\text{C}1}(S)=\frac{G{}_{\text{C}2}(S)}{1+G{}_{\text{C}2}(S)G{}_{\text{Κ}}(S)}$;GC2-反向控制器传递函数;GK (S) =km, km-比例系数;GK (S) -前向控制器传递函数

$Y(S)={\rm H}{}_1(S)X(S)+{\rm H}{}_2(S)F(S)(2)$

式中:H1 (S) 为设定值响应传递函数;H2 (S) 为扰动响应传递函数。

由图3函数结构图可得:

$\begin{array}{l}{\rm H}{}_1(S)=\frac{Y(S)}{X(S)}=\frac{G{}_{\text{C}2}(S)G{}_{\text{Ρ}}(S)}{1+2G{}_{\text{C}2}(S)G{}_{\text{Κ}}(S)}\text{e}{}^{-tS}\\ {\rm H}{}_2(S)=\frac{Y(S)}{F(S)}=\frac{G{}_{\text{Ρ}}(S)[1+G{}_{\text{Κ}}(S)G{}_{\text{C}2}(S)]}{1+2G{}_{\text{C}2}(S)G{}_{\text{Κ}}(S)}\text{e}{}^{-tS}\end{array}(3)$

式 (3) 的特征方程为

$1+2G{}_{\text{C}2}(S)G{}_{\text{Κ}}(S)=0(4)$

由式 (4) 可知, 新的反馈改进型Smith纯滞后补偿控制系统中, 其特征方程不包含被控对象, 故不受纯滞后因素的影响, 因此被控对象混合料仓动态特性的参数变化不影响系统的稳定性, 故系统的鲁棒性很强。

4 控制系统的稳态分析及控制器参数确定

用类比的方法, 混合料矿仓可以简化为一阶惯性加滞后环节, 即

${\rm P}(S)=G{}_{\text{Ρ}}(S)\text{e}{}^{-ts}=\frac{{\rm K}{}_{\text{Ρ}}}{{\rm T}{}_{\text{Ρ}}S+1}\text{e}{}^{-tS}(5)$

式中:P (S) 为混合料矿仓 (被控对象) 传递函数;KP为混合料矿仓 (被控对象) 传递函数的比例系数;TP为混合料矿仓时间常数。

由于料仓料位稳态误差是主要控制指标, 所以控制器GC1 (S) 选为PI控制:

$G{}_{\text{C}1}(S)={\rm K}{}_{\text{C}}(1+\frac{1}{{\rm T}{}_{\text{C}}S})(6)$

式中:KC为控制器传递函数的比例系数;TC为控制器传递函数的积分时间常数。

取

$G{}_{\text{Κ}}(S)={\rm K}{}_{\text{m}}(S)={\rm K}{}_{\text{Ρ}}(7)$

代入$G{}_{\text{C}1}(S)=\frac{G{}_{\text{C}2}(S)}{1+G{}_{\text{C}2}(S)G{}_{\text{Κ}}(S)}$, 整理得:

$G{}_{\text{C}2}(S)=\frac{{\rm T}{}_{\text{C}}{\rm K}{}_{\text{C}}S+{\rm K}{}_{\text{C}}}{{\rm T}{}_{\text{C}}(1-{\rm K}{}_{\text{C}}{\rm K}{}_{\text{m}})S-{\rm K}{}_{\text{C}}{\rm K}{}_{\text{m}}}(8)$

在稳态时, 从式 (3) 可以得到:

$\underset{S\to 0}{{\displaystyle \lim }}{\rm H}{}_1(S)={\rm K}{}_{\text{Ρ}}/{\rm K}{}_{\text{m}}(9)$

从式 (9) 可以看出, 控制系统在稳态时可以保证混合料矿仓料位输出的稳定性。

$\underset{S\to 0}{{\displaystyle \lim }}{\rm H}{}_2(S)=0(10)$

从式 (10) 可以看出, 在扰动时, 不论KP与Km是否相等, 系统都有很好的稳定性。经过对控制器参数优化, 各控制器参数分别取:KC=3, TC=0.2, Km=1, KP=TP=1.3。

应用反馈改进型Smith纯滞后补偿方法对系统进行了重新设计。系统以ABB公司的控制器为平台, 用组态软件构建了新的纯滞后补偿控制系统。经过2年的运行结果表明, 在混合料仓负荷变化较大的情况下, 系统受到影响很小, 当仓料负荷在允许的范围内变化时, 料位变化趋势如图4所示, 矿仓料位偏离设定值小于4%, 结果与设计意图基本相符, 取得了很好的控制效果, 满足了烧结厂生产的需要。

5 结语

应用典型的Smith预估器对过程控制滞后问题进行处理时, 其系统稳定性受到被控对象的动态特性精确度影响, 将会产生过程控制不稳定问题。静钢铁公司烧结厂混合料矿仓料位的过程控制改造表明, 采用反馈改进型Smith预估器补偿系统可以有效地克服纯滞后的影响及负载变化引起的过程控制不稳定性问题。反馈改进型Smith预估器补偿系统是解决被控对象不稳定及大滞后问题的有效方法之一。

参考文献

[1]田玉楚.大时滞工业过程的双控制器结构[J].自动化学报, 1999, 25 (6) :824~827.

[2]金以慧.过程控制[M].北京:清华大学出版社, 1993.

[3]方康玲.过程控制系统[M].武汉:武汉理工大学出版社, 2002.

控制料位 篇2

铝业电解车间多功能天车装有下氧化铝粉的料仓, 料仓氧化铝粉下完, 加料时氧化铝粉的料位由1只阻旋式料位计检测 (图1) 。当氧化铝粉的料位加到与料位计旋转头水平时, 旋转头在氧化铝粉中旋转, 料位计的旋转阻力增大, 同时发出报警信号, 系统收到信号后, 立即停止加料。因料位计无报警信号发出, 无法判断料何时装满。经长期观测, 确认天车PLC程序中料位计部分存在缺陷。天车启动后, 无论是否装料, 料位计即开始旋转工作。天车1天作业时间5~6 h, 料位计与天车作业时间相同, 料位计内微型电机齿轮严重磨损, 造成故障频发。

2. 改进料位计控制方式

实际上, 不加料时料位计的工作毫无意义, 为此改进料位计控制方式, 使料位计工作时间与加料时间同步。在控制柜内增加1只继电器作为料位计的控制开关, 在PLC程序中增加1个指令 (图2虚线框) , 利用该指令将控制开关结合到PLC程序中。在驾驶室操作或使用遥控器操作天车加料时, 满足指令中的对位和加料条件, 即可实现控制开关通电闭合, 料位计启动工作的功能;料加满后料位计报警停止加料, 则控制开关断开, 料位计停止工作。这样料位计只在加料时工作几分钟。

控制料位 篇3

1 大颗粒尿素造粒系统简介

1.1 工艺流程

由尿素熔融泵打入的尿素溶液和通过甲醛计量泵加入的浓度37%的甲醛溶液在静态混合器混合后去造粒器。混合液被均匀地分配到喷嘴并由雾化空气喷射到流化床上。

造粒成型后的产品被送到流化床冷却器, 被流化空气冷却到约70℃, 通过振动取料器和料位控制阀后取出, 经皮带输送至斗提机, 被斗提机提升到安全筛, 筛出的颗粒粒径大于10 mm的粒状尿素及直径13mm以上块状、团状的尿素送循环槽。由安全筛出来的的尿素颗粒被送到振动筛, 在此被筛分成三部分:合格产品被送到最终产品冷却器进一步冷却到45℃, 送往尿素包装仓库;尺寸过小的颗粒直接送回造粒器作为晶种;尺寸过大的颗粒被辊式破碎机破碎后加入到尺寸过小的颗粒中, 被送回到造粒器作为晶种。固体循环比约为1/2 (累计的超尺寸+小尺寸物料与合格产品流速之比) 。

1.2 料位控制阀在造粒系统中的作用

料位控制阀安装在造粒器冷却器振动取料器之后, 通过调节料位控制阀开度和取料器的振频达到稳定取料。料位控制阀是控制造粒器和冷却器料位的重要设备, 造粒器和冷却器料位的波动直接影响造粒系统正常运行及成品尿素颗粒的大小。

2 料位控制阀改造的依据和理由

本装置原设计造粒器取料器料位控制阀采用手动翻板阀, 由于翻板阀开关时受到尿素颗粒的挤压而不易调节和控制, 导致过料不畅造成造粒器料位大幅度波动, 甚至出现下料口堵塞, 导致大颗粒系统停车, 影响造粒系统正常运行和尿素颗粒的大小。由此可知, 手动翻板阀频繁动作时操作人员劳动强度大且不能满足工艺要求。

其次, 系统运行在20天左右, 尿素粉尘容易粘结在翻板, 在下料口出现尿素粉尘结块, 导致下料卡死, 无法取料, 造粒器压床而停车。每次停车洗床处理需要4—6小时, 每次影响产量160—250吨左右, 造粒器洗床过程中, 含有尿素的废水不能回收, 废水不能达标排放, 造成产品浪费、环保超标和氨耗偏高。

3 改造方案

将手动翻板阀改为电动插板阀, 安装位置由原先的振动取料器之后移至冷却器下料与振动取料器之间, 降低振动电机负荷, 从而有效控制造粒器和冷却器料位, 大大延长了系统运行周期、提高了尿素产品外在质量 (粒度) 。

3.1 结构改造

为了杜绝翻板阀在操作过程中由于尿素挤压而受力过大的问题, 将翻板阀改造为插板阀。并将位置移至振动取料器之前, 有效降低了振动取料器电机负荷。

3.2 作用形式改造

将原先手动操作型式改为通过电动执行器操作, 并将执行器输入输出4~20m A信号引致DCS, 中控人员根据料位高低精准调节插板阀开度, 有效平稳控制了造粒器和冷却器料位。并大大降低了操作人员的劳动强度。

4 改造费用

电动插板阀采购费用以及现场电气、仪表施工费用:约6万元。

5 改造后效果及经济评价

5.1 改造后效果

经过技改后, 经过一年的实践, 中控操作人员根据料位情况, 由电动插板阀开度和振动取料器振频相互配合, 均匀出料, 稳定了造粒器和冷却器料位。避免了由原先翻板阀卡死或者手轮不能及时调节而造成停车事故, 实现了系统长周期运行。同时, 彻底杜绝了在现场操作的人身安全隐患。

5.2 经济评价

原设计翻板阀, 每年至少检修4次以上, 每次2小时, 直接影响尿素产量:40 (t/h) X4 (次) X2 (h) =320吨, 320 (t) X1500 (元/t) =480000元。

5.3 环境保护和节能效果评价

杜绝了由于料位控制阀故障频繁洗床而造成废水超标排放, 有效降低了成品浪费和降低了氨耗。与其相比较, 此项目改造方案、资金投入等方面都比较科学合理, 改造后经济系效益和社会效益可观。

参考文献

[1]王世枚.大颗粒尿素技术的应用[J].山西化工.2016 (05) .

[2]张庭霞.山西大颗粒尿素装置运行成功[J].化肥设计.2014 (02) .

[3]代茂平, 马英, 熊飞兵.大颗粒尿素装置运行问题分析及对策[J].兰州化工.2012 (01) .

[4]高励成, 金明, 简春贵, 薛强, 王辉, 赵建环.大颗粒尿素装置中尿素粉尘洗涤器 (塔) 总结[J].化学工程.2015 (04) .

控制料位 篇4

近几年全国化工、电力、水泥行业突飞猛进, 随着设备的不断更新与扩大, 对料位计的市场需求也越来越大;随着科学技术的不断提高与引进, 整个生产系统的集成化程度越来越高, 要求数字化的信息处理技术越来越多, 而目前使用模拟电路处理信息的同位素料位计技术已经不能适应现代化生产的需要。在此情况下, 研制生产一种灵敏度高、精确度高、使用寿命长、自动化程度高的新一代智能化仪表及远端控制系统积极地参与市场竞争、服务生产企业是当务之急, 有着深远的经济意义和社会意义。

本文介绍的产品是依据现场的控制要求及应用需求, 系统以核物理测量原理为基础, 采用数字技术、微处理技术和控制理论相结合进行研制, 具有智能化信号处理和辐射源容器远端开关控制功能, 现场料位监控信号和上位机之间通过总线的形式进行传输, 提高了料位产品的抗干扰能力和现场应用的灵活性。

2 系统组成

该装置由辐射源及辐射源容器、GM管接收器、运算控制器等组成。

2.1 辐射源及容器

辐射源采用密封137Csγ射线点源, 射源置于ф8mm×9mm不绣钢壳体内保护, 射线能量661Kev, 强度1.5×109Bq, 半衰期30年;辐射源容器由铅和铸铁外壳构成, 通过电动控制辐射源的开与关。

2.2 GM管接收器

接收器由GM计数管组成, 探测器采用型号为J408γ盖革计数管, GM计数管具有输出信号大, 功耗低, 适应环境温、湿度范围宽, 体积小, 造价低等特点。

2.3 运算控制器

运算控制器以C8051F410为核心, 主要实现显示、运算、计数、按键输入、参数掉电保存等功能;运算得到的结果控制继电器进行开关报警, 并在控制柜体上显示空满信号, 通过按键的设置远程控制辐射源容器的开关。

3 测量电路

测量电路的设计要求是力求简单、适用、稳定、可靠、抗干扰能力强、温度性能好。

测量电路包括信号采集、数据处理、总线通信输出三部分组成。信号采集电路是将探测器接收到的信号经处理后产生可进行数据分析处理的脉冲信号。数据分析处理部分由单片机来完成, 单片机采用C8051F410, 总线通信输出部分由SPC3芯片和RS485通信线路组成。硬件电路主要包括以下几个部分:

(1) 单片机及外围扩展设计; (2) SPC3与单片机的联接; (3) RS485接口电路设计; (4) 复位电路和电源电路的设计。

控制系统组成如图1所示:

3.1 辐射源容器控制电路

远端控制电路主要包括辐射源容器开关电路和继电器驱动电路, 开关电路由电机驱动电路、手自动开关电路、小型电机等, 主要实现二次仪表及控制系统对辐射源容器进行手自动开关控制。

3.2 GM管接收器电路

接收器由盖革计数管、比较放大及驱动电路组成, 主要实现脉冲信号的采集、驱动。GM计数管接收到的脉冲信号, 经整形滤波后, 进行转换, 转换后的数字码经总线送处理器进行运算处理, 处理后的结果经通讯接口与上位机进行交互操作。

4 编程思想及软件流程

4.1 编程思想

软件的主要功能是将探测器接收到的脉冲信号实时数据进行运算处理, 对处理后的结果进行实时显示和报警输出。软件以c语言作为编程语言, 考虑到程序的可移植性和以后的功能升级, 以及调试的方便性, 采用模块化程序设计。

4.2 程序流程图

5 结束语

核料位计远程控制装置以核物理测量原理为基础进行设计, 非接触测量形式进行物位测量, 将料位监控仪表从现场控制柜中分离, 进行独立控制和操作, 提高系统的抗干扰能力, 减少传输误差, 提高现场仪表的内部功能和可靠性, 同时设计有辐射源容器远端开关控制功能, 可提高生产效率, 降低生产风险, 使该套控制装置具有更好的开放性和集成能力, 提高核料位计的市场竞争力。

参考文献

[1]罗向东, 等.基于多微处理器的主从式核物位监测系统的研制[J].自动化技术与应用, 20115:74-77.

[2]丁富荣, 等.辐射物理[M].北京:北京大学出版社, 2004.

控制料位 篇5

P R OTOS 7 0卷烟机组是我国于上世纪90年代初引进的设备, 其中VE70供丝机是PROTOS卷接机组的供料装置。其作用是将前置工序加工的烟丝进行整理、定量、并将均匀连续的烟丝条传输给下游的卷烟机部分, 这一过程需要控制的环节有:送丝风管的进丝, 气闸落料, 烟丝储料料位, 计量槽料位, 烟丝给入烟枪以及烟丝的循环利用。其中计量槽料位检测采用的是9点式矩阵式检测, 由于烟丝材料的差异, 9点检测料位显得分辨率较低, 烟丝输送的单位变化量有时显得偏大, 使输送设备有时出现堵塞现象或供料不足现象, 直接影响到生产效率和产品质量。故对VE70计量槽料位控制系统进行升级改造。

一、原机计量槽检测及控制原理

1、计量槽光电检测器工作原理:

原机计量槽由3块光电检测板和1个控制板组成, 每块光电检测板有3个漫反射光电检测器, 因此共有9个光电检测点。如图1所示:当1端为高电平时, 发射管D导通, 此时, 若检测器前方无烟丝遮挡时, 接收管T通过反射板接收到发射管D的信号而导通, 2端有高电平输出信号;反之当1端为低电平或检测器前方有烟丝遮挡时, 2端输出低电平。

2、计量槽检测信号采集与控制工作原理

由NE555构成的振荡器输出振荡信号给计数/分配器CD4017, CD4017的输出端Q0～Q8依次输出高电平脉冲信号分别给一一对应连接的9个光电检测器, 以触发光电检测器的发射管导通。同时Q0～Q8高电平信号依次输出到对应的9个JK触发器CD4027的J端。在Q0～Q8依次输出高电平脉冲信号的一个检测周期内, 具备检测条件的光电检测器 (即光电检测器前方无烟丝遮挡) 输出高电平脉冲到对应的CD4027的CP端, 使CD4027的输出Q端置“1”, 而不具备检测条件的光电检测器所对应的CD4027输出Q端仍为“0”。当CD4017的Q9端输出高电平脉冲信号时, 一个检测周期结束, Q9端高电平信号触发锁存器CD4042将9个CD4027的Q端输出信号锁存并输出到SE的A0-A6控制板进行处理, 最终输出0～10VDC信号到VE的N1直流调速板控制陡角电机的转速。显然, 置“1”的输出端Q数量越多, 计量槽内烟丝量越少, 陡角电机的转速越快。此外, CD4017的Q9端输出高电平脉冲将所有CD4027的输出端复位 (Q置“0”) , 并进入下一个检测周期。

通过上述原理可以看出原机系统是采用比较陈旧的逻辑控制板和运算控制板组合控制方式。原VE70槽料位控制系统主要缺陷反映在料位控制不够稳定, 易造成堆料槽满、陡角电机频繁启停, 或堆料槽排空、堵塞而导致主机停车, 从而造成原材料的浪费和生产效率下降。

二、新型计量槽料位控制系统结构特点及实施方案

1、新型计量槽料位控制系统主要结构

新型计量槽料位检测是将原有9点式矩阵式检测改进为15点检测, 在原有9点检测的基础上将电路扩展而实现。即3块光电检测板中, 每块板的光电检测器由3个增加到5个;控制板上CD4017的输出位以及JK触发器的数量也由9个增加到15个。在料位控制方面, 锁存器的15点输出信号送入可编程序控制器 (P L C) , 由可编程序控制器完成PID运算处理, 进行料位控制, 提高了调试的灵活性及控制精度。电气结构图见图3。

2、新型计量槽料位控制系统料位控制计算方法:

新型系统采用可编程序控制器直接接收料位信号和SE部分的速度信号, 运用PID算法计算速度设定值, 计算方法是:

2.1、以满烟丝遮盖10个点位为标准位, 以此为控制目标点。

2.2、以主机速度DW (由频压转换器输出0～10V) 为速度跟踪值, 陡角供料电机运行速度随其变化。

2.3、速度反馈值计算方法为:

S:速度反馈值

DW:主机速度 (0～10V)

N:烟丝遮盖点数

2.4、采用PLC内部PID控制模块进行控制 (示意图见图4)

可以使用该控制器作为PID固定设定值控制器或在多循环控制中作为层叠、混料或比率控制器。该控制器的功能基于使用模拟信号的采样控制器的PID控制算法, 必要时可以通过加入脉冲发生器阶段进行扩展, 为使用成比例执行机构的两个或三个步骤控制器生成脉冲持续时间调制输出信号。

除了设定值和过程值分支中的功能, SFB/FB还通过持续操作变量输出和手动影响操作值的选项实现了完整的PID控制器。

PID算法用于定位计算。比例、积分 (INT) 和微分 (DIF) 操作以并联方式连接, 因而可以分别激活或取消激活。这使对P、PI、PD和PID控制器进行组态成为可能。还可以对纯I和D控制器进行组态。

3、新型计量槽料位控制系统实施方案

新型系统采用计量槽料位的15点检测, 替代原有的9点检测, 在计量槽外侧壁上增加了一个信号转换器JLC-A, 将原9点信号与同步信号仍然送到S E主机的PLC, 专用于报警。将所有15点信号变换为PNP形式后, 送入本料位控制系统的可编程控制器 (PLC) ;烟丝在计量槽中不可能总是水平的, 差异小还可以, 但往往由于机械调整的原因偏差很大, 会造成卷出的烟支不均匀, 或堵塞停车等状况, 影响了卷烟的质量与效率。为此采取了应用机台上已有的气源, 对料位不平的情况给以辅助吹平处理。根据现有的料位检测阵列, 检测出料位不均的情况, 左侧高即启动左侧气阀 (Y 5, 见图5) ;右侧高即启动右侧气阀 (Y6, 见图5) 。电磁阀的气压大小可调, 两个阀使用同一路气源, 由一个手动节流阀控制, 顺时针减小, 逆时针增大。可根据实际需要做一些微调, 使烟丝在计量槽里越平整越好。

L x为计量槽检测板 (N1, N2, N3见图5) 上某一检测点状态, x=1～15遮住为1, 未遮为0。

三、新型计量槽料位控制系统主要特点

新型系统的料位检测点由9点 (3×3) 增加到15点 (3×5) , 提高了料位检测的分辨率, 料位更准, 速度计算量化更细, 使执行机构的运行更平稳, 大大减少了计量槽经常跑空或烟丝堵塞的发生;新型系统的控制单元采用西门子S7-300的PLC, 在程序中引入PID调节功能, 把15点检测结果送入信号转换器U/U, 通过U/U把原等效9点信号与同步信号仍然送到PROTOS70主系统的PLC不变, 可编程序控制器的专用计算方法使速度跟随性更快、更好, 使设备运行在最佳状态。

结束语

计量槽料位控制系统经上述改进后, 机器运行更加平稳, 堵烟现象明显减少, 落料更加均匀平整, 有利于烟条的形成, 提高了烟支重量的稳定性, 进而保证了卷烟质量。此技术已在我厂PROTOS70机组上得以应用。

摘要：本文主要介绍了PROTOS70卷烟机VE计量槽料位控制系统的升级改进效果。通过对原计量槽料料位控制系统原理的分析, 使原有9点矩阵检测方式改进为15点矩阵检测方式。该检测方式应用了PID算法, 大大提高了料位检测的分辨率, 解决了改进前计量槽经常跑空或堵烟丝, 严重影响机车的设备效率及产品质量的问题。

群控式料位开关测量系统 篇6

企业较多的设备中同时使用γ射线料位开关, 采用普通的转换器和探测器模式, 在操作和控制时有些凌乱, 标定时需要对不同的转换器进行单独操作, 另外要分别从转换器输出端接入报警装置, 而且由于使用转换器的数量比较多, 也增加了整个测量系统的故障率。采用PLC可以实现信号的集中采集、显示及报警, 从而减少转换器的数量, 降低了测量系统的故障率, 同时降低了整个系统的成本。

2 系统测量原理

设备安装料位开关是为了实现对工艺料位极限位置的控制, 如上限、下限。γ射线料位开关是通过以下原理实现对物料位置的测量。

γ射线料位开关物位测量是以γ射线与物质相互作用被吸收因而射线强度随吸收物质的厚度 (或高度) 变化这一规律为技术基础的。窄束的γ射线的吸收规律通常是指数规律, 即:

I=I0e-μh (1)

式中:I0, I——料位高度为0和h时探头处的射线强度;μ——物料对γ射线的线性吸收系数。基本测量原理如图1所示。

用探头检测出随料位变化的射线强度信号, 再经过核电子学处理, 最后转换成适当的电信号就可以用来显示料位。

这里我们把信号数字化, 认为在h=0时探测器接收到的数字信号为n0, 当h≠0时接收到的信号为n, 当h最大时接收到的信号为n1, 即当没有物料时读数为n0, 反之为n1, 中间状态为n。通过比较n与n0、n1的大小判断物料是否到达报警位置, 所以对PLC编程的目的便是实现PLC采集信号n和“预制值”的比较, 如图2所示。

3 系统组成

该料位监测系统选用S7-200系列的PLC, 以CPU226作为计算控制核心, EM235作为数据单元, TP170A触摸屏作为人机接口, 可以通过触摸屏作现场标定, HZ-0100型探测器作为信号检测单元, 对HZ-0100型探测器和TP170A分别配12 V和24 V开关电源, 采用HR-WP-X103型闪光报警器。

HZ-0100型探测器直接送出脉冲信号, 这里需要PLC能够从探测器直接读取脉冲信号, PLC作为可以从外界直接读取数字信号的计数器是高速计数器 (HSC) 。选择PLC的原则就是尽量选用HSC较多的PLC。S7-200有6个输入端, 6个输入端口都可以作为HSC的输入端。如:河南某企业采用23个HZ-0100型探测器, CPU226有HSC0～HSC5六个高速计数器可用 (CPU221和CPU222都只有4个高速计数器, 有两个输入端不能利用) , 使用4台PLC, 选CPU226性价比较高, 同时因为CPU226有16路输出 (这里根据该企业的要求在本系统报警输出的同时DCS也能够有报警输出) , CPU226可以分别将报警信号输出到报警器和DCS上。

4 程序设计

程序设计的功能是当物料位置达到工艺极限位置 (高限或者低限) 时系统报警, 当物料恢复工艺要求料位时报警取消。

根据HZ-0100型探测器的测量原理可知, 当射线穿透不同的物质时, 射线被吸收的剂量不一样, 即在不同的工艺料位下, 探测器接收到的射线强度不同, 反映到测量结果上就是在各个位置探测器接收到的射线的计数率不同。根据射线的这种性质, 对程序只需要测得设备中有物料和没有物料的两个状态的计数率即可, 然后通过与两个状态计数率大小的比较后输出报警便能完成料位开关的功能。整个程序流程如图3所示。

(1) PLC高速计数器计数的实现[1]。首先, 由于HZ-0100型探测器输出的脉冲信号不符合PLC高速计数器对脉冲15～26 VDC、30 Hz要求, 虽然高速计数器也能够从探测器读到数字脉冲, 但是相对于测量要求来说计数率偏低, 原因是与HZ-0100型探测器配合使用的转换器对脉冲的要求是-3～-5 V、3 μs。这样高速计数器只能读到很少的能达到要求的脉冲, 无法满足测量的需要, 改变这种现象的方法有两种:①加大放射源的活度, 以提高计数率。但是按照目前放射源的价格, 并考虑环境、运输、安装、安全防护等方面的问题, 增加放射源的活度是不可取的;②对探测器输出的波形做一下调整, 通过硬件电路改善脉冲参数以达到PLC的技术要求。我们选择第②种方法, 在使用PLC计数以前首先对探测器输出的脉冲信号作一下调整, 调整方案见图4。

注:W, Z, X, F——探测器的接线端子;R7——确定阈值620～1 000 Ω使得VD1绝对值为1.5 V;R6——确定脉宽T=3R6C2;R9——确定高压输出, 限压值5 V

另外, 因为光电倍增管的工作特性, 每一个光电倍增管都有对应坪区电压, 最终在一个较好的工作电压下工作, 这样就需要调节光电倍增管的工作坪区, 即要求有一个可以调整此电压的电路, 驱动板的另外一个作用就是调节光电倍增管的工作电压。

(2) 定义高速计数器的工作模式, 初始化计数器。

(3) 计数开始。

(4) 定义一个定时器。

(5) 定时时间到, 读取计数器当前值, 并存储。

(6) 判断测量值和预置值的关系, 确定报警方向。

(7) 计数器停止计数, 当前值清零, 重新启动计数器, 程序进入下一个循环。

5 现场数据分析

这里选用一个探测器的十次测量结果对系统的重复性进行分析, 如表1所示。

重复性是考核一台料位开关优劣的关健指标。这里所说的重复性是指用同一台开关 (这里用测量系统的一路探测器) 多次对同一个工艺位置进行测量所得结果的偏差。进行重复性实验时要尽量避免因样品缩分、分散等方面的影响。

重复性偏差计算公式:

undefined

式中:σ——xi的标准差;δ——重复性的相对误差;undefined——xi的平均值。

重复性偏差计算结果:0.16%, 可见系统仍然有很好的重复性。

6 应用范围

本系统可以用于各行业生产过程中料斗、储罐等容器内的物料自动上、下限报警。特别适用对以下设备进行物料上、下限的自动报警:聚合釜、反应釜、催化剂加料器、脱气仓、带滤器、气蒸罐、锅炉灰仓、煤仓、电除尘器灰斗等。

7 使用经验

因为γ射线自身的统计涨落特性, 致使在单位时间内探测器接收到的信号也存在涨落, 又因为其测量误差与其计数n有关, 其标准误差 (绝对误差) 为undefined, 其相对误差为undefined。为减小相对误差, 当放射源活度一定, 探测器探测效率也一定时, 为了增加计数以减小相对误差, 则要延长计数时间, 但是出于对料位开关实时测量的考虑, 时间又不能太长, 具体计数时间可根据实际的工艺条件确定[2]。

本系统也可以应用到料位测量的系统当中, 通过PLC的模拟输出模块输出4～20 mA信号, 当然程序上需要加强数据的处理, 改善系统的容错能力。目前该系统的应用主要针对料位开关, 系统数据处理的能力相对较弱, 对于通过HZ-0100型探测器采集来的数字信号, 系统在处理计数脉冲时只是做了一个延时, 用以减少因现场采集信号的突然变化导致的误报警, 对于料位测量系统需要改进的是在某一个给定的时间段内把现场采集的数字信号取平均值以保证测量的稳定性, 减小系统误差。另外, 对于料位测量系统测量结果的线性化也很重要, 由于γ射线本身的特性使得料位的测量结果不是线性的, 所以需要程序根据射线的一些特性作线性化处理。

参考文献

[1]台方.可编程控制应用[M].北京:中国水利水电出版社, 2001.

锅炉煤粉仓料位测量实践及应用 篇7

关键词：煤粉仓,料位计,介电常数,煤粉细度

1 概述

陕西神木化学工业有限公司一期三台75吨锅炉为哈尔滨锅炉厂生产的煤粉炉, 炉型成“n”型, 前部竖井为炉膛, 四周布满水冷壁, 为单汽包、自然循环、四角布置煤粉直流燃烧器, 采用中间储仓乏气送粉系统。二期使用四川锅炉厂生产的两台220t/h高压单锅筒、自然循环、集中下降管倒U型布置的固态排渣煤粉炉。两套装置共有5个煤粉仓。几年来, 煤粉仓料位测量一直是困扰我公司仪表测量的一个难题, 从最初的射频导纳物位计到机械重锤装置测量, 到目前使用的3台科隆缆式雷达物位计, 一直处于粉位测量的改良改造阶段。

2 煤粉仓粉位测量介绍和现状

粉仓是由钢板或砼浇注而成的, 贮存锅炉所用一定量的煤粉, 制粉系统送来合格的煤粉通过顶部进料口进入煤粉仓, 再通过叶轮给粉机送至排粉管, 由排粉机送至锅炉炉膛, 该仓分为上下两部分, 底部为锥形漏斗, 漏斗出口分别装有8台叶轮给粉机, 仓的上半部分为仓体, 长宽高为7.2米*6.5米*4米, 顶部有0.4米*0.5米两个下料口, 200*200的两个料位计安装孔。

煤粉的颗粒度小于80μm的占80%, 流动性好, 进入主体仓呈“△”型。制粉进料时粉尘大, 一般料位计难以克服进料粉尘的干扰。

在我公司2005年一期项目中, 三个煤粉仓各使用了一台射频导纳物位计。射频导纳物位计的工作原理基于电容器之电容量的变化。测量传感器探头与参考探头 (通常由罐壁担当) 构成电容的两极, 电容量由二者之间的被测物料特性决定;利用物料介电常数恒定时, 极间电容正比于物位的原理进行工作的。其特点是无可动部件, 与物料密度无关, 但要求物料的介电常数与空气介电常数差别大, 变化的介电常数在进行连续测量时要加以补偿, 且需用高频电路。由于原料煤湿度、灰分含量的差异, 造成煤粉的介电常数发生变化, 对仪表安装的要求极高, 所以出现指示波动、异常等现象, 并导致5次冒仓的事故。

因为射频导纳物位计无法提供可靠的监控数据, 为保障生产需要, 2006年4月改用机械重锤料位计, 虽然操作测量设备较原始, 却大大降低了工艺事故, 解决了冒仓、无数据参考的问题。但运行半年之后, 机械重锤式料位计故障率逐渐增大, 三台每年维修及更换备件可组成三台新的料位计, 其检修工作占锅炉仪表维修班的60%工作量, 为此, 2010年6月公司年度大修前夕, 我们本着提高自控监控水平, 即时、连续提供工艺监控数据, 降低劳动强度的原则, 于粉仓顶部重新开孔, 重定仪表安装位置, 图二仪表位置尺寸为新开孔安装位置, 试用科隆OPTIFLEX 1300 C三台缆式雷达料位计, 通过两个月的试用, 目前运行稳定良好。

3 科隆OPTIFLEX 1300 C缆式雷达物位计试用

我们使用科隆OPTIFLEX 1300 C缆式雷达物位计, 8mm不锈钢单缆。该雷达物位计采用的是Time Domain Reflectometry (简称TDR) 时域反原理。其工作方式是电子变送器与过程连接相连, 变送器通电后会产生高频脉冲并沿天线 (硬杆或软缆天线) 向下传送;当高频脉冲遇到被测介质表面时会产生反射, 该信号沿着天线反射回去并被电子变送器接收到, 变送器检测出该脉冲信号从发射到接收的时间间隔, 从而精确地计算出过程连接到被测介质表面的距离;通过给定的罐高, 减去所测量的距离值, 计算出物位的高度。

科隆OPTIFLEX1300C系列雷达物位计, 设计更先进, 采用了2GHz的脉冲频率;更高的脉冲频率带来更窄的脉冲宽度, 所以该系列仪表具有更高的分辨率和精度, 并能够检测更窄的界面。如:在典型的油水混合的界面测量中, 能够测量仅50mm的油层厚度;和科隆上一代的雷达物位计所能检测的最小厚度90mm相比, 该技术指标优化了将近1倍。不仅如此, 极佳的时间基准稳定性使该系列的仪表具有更佳的重复性, 从而具有更佳的可靠性。

针对仪表特点, 安装使用应遵循以下原则:

首先, 安装这种缆式雷达料位计需要在粉仓上方开孔, 开孔大小与粉仓顶部楼层厚度有关, 通常来说开孔大小要大于粉仓顶部楼层厚度, 我们试用的这个粉仓楼层厚度为180cm, 因此, 粉仓开孔大小为200cm, 同时, 开孔位置距离粉仓四周墙壁不得少于30cm, 以免测量信号受到墙壁的影响而影响测量精度。

其次, 在安装完成后, 在空罐情况下, 我们需要设置以下几个参数。因为在现场根据安装位置处的料仓高度, 进行了天线截短的处理;可以进入仪表快速设置菜单, 运行“自识别天线长度”的功能。根据仪表所自动检测到天线长度, 设为实际的天线长度。但是, 在运行该功能时, 必须确保空仓的状态;否则会出现误识别的情况。另外, 仪表还有“顶部干扰识别”功能, 该功能能够记录因安装所带来的干扰信号并屏蔽这些干扰信号, 保证物位测量的正常。

最后, 虽然是进口仪表, 但是因为有中文菜单, 所以参数设置会非常方便。进入仪表的快速设置菜单后, 仪表通过人机问答的方式, 引导用户设置参数。如:应用设置中的介质类型、介质数量等;安装参数中的安装方式、罐高、过程连接方式等;如:输出设置中的输出功能、4m A和20m A及错误时输出信号处理等完成这些快设置后, 仪表即能正常工作。

4 OPTIFLEX 1300 C揽式雷达料位计投入运行效果对比

公司期初采用射频导纳料位计和机械重锤料位计, 有测量数据波动, 干扰多, 故障率高, 轻则煤仓料位过满溢出, 造成冒煤事故;重则煤仓料位过低或排空会造成燃烧不稳甚至灭火停机的大事故, 甚至由于粉位控制的不理想, 监控不到位, 导致煤粉集热、燃烧、爆炸, 给生产带来极大威胁, 给维护检修带来极大的困难。OPTIFLEX 1300 C自我们6月份安装投运以来, 经过两个月的使用, 测量实时, 准确, 满足测量控制要求。图1为曲线图, 为三台雷达运行24小时内的实时曲线图。

结束语

科隆的这款缆式雷达物位计除了操作简单、免维护之外;还具备其它的一些功能。如物位和体积的转换, 自动检测介质的相对介电常数, 还有特殊的Tank Bottom Follow (简称TBF罐底跟踪测量模式等。这些功能的灵活运用都需要我们在实践中进一步去挖掘探索。

参考文献

[1]工业锅炉安全运行管理综合技术手册[M].北京:化学工业科技出版社, 2009, 4.

[2]张毅, 张宝芬, 草丽, 彭黎辉.自动检测技术及仪表控制系统.ISBN7-5025-6239-7/G.1609[M].北京:化学工业出版社.

[3]陕西神木化学工业有限公司.动力车间一二期锅炉主要装置说明改编.